
【化】 Graham's law of diffusion
格雷姆扩散定律(Graham's Law of Diffusion),又称格雷姆气体扩散定律,是描述不同气体扩散速率差异的重要物理化学定律。其核心内容可概括为:
定律定义
在相同温度和压力条件下,气体的扩散速率与其密度的平方根成反比,或等价于与其摩尔质量的平方根成反比。其数学表达式为:
$$
frac{text{速率}_1}{text{速率}_2} = sqrt{frac{rho_2}{rho_1}} = sqrt{frac{M_2}{M_1}}
$$
其中 ( text{速率}_1 ) 和 ( text{速率}_2 ) 代表两种气体的扩散速率,( rho ) 为密度,( M ) 为摩尔质量。
物理意义
该定律揭示了轻气体比重气体扩散更快的现象。例如氢气(( text{H}_2 ),摩尔质量 2 g/mol)的扩散速率约为氧气(( text{O}_2 ),32 g/mol)的4倍(因 ( sqrt{32/2} = 4 ))。其微观本质源于气体分子平均动能相同(温度相同)时,较轻分子运动速度更快。
应用领域
学术权威参考
该定律由苏格兰化学家托马斯·格雷姆(Thomas Graham)于1831年通过实验首次确立,其原始论文发表于《哲学杂志》(Philosophical Magazine)。现代理论解释可参考《物理化学》(Atkins' Physical Chemistry)中气体动力学理论章节,或美国国家标准技术研究院(NIST)热力学数据库对气体传输性质的论述。
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格雷姆扩散定律(Graham's Law of Diffusion)是描述气体扩散速率与物理性质关系的经典定律,由苏格兰化学家托马斯·格雷姆(Thomas Graham)于1831年提出。以下是详细解释:
在相同温度和压力条件下,气体的扩散速率与其密度的平方根成反比,或等效为与摩尔质量的平方根成反比。
数学表达式为:
$$
frac{u_A}{u_B} = sqrt{frac{rho_B}{rho_A}} = sqrt{frac{M_B}{M_A}}
$$
其中,(u) 表示扩散速率,(rho) 为密度,(M) 为摩尔质量。
以氢气和氧气为例:
该定律可通过分子运动论推导:气体分子质量越大,平均动能相同时速度越慢,扩散速率越低。
托马斯·格雷姆的研究奠定了气体动力学基础,其定律至今在化学工程、环境科学等领域有广泛应用。
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